樓莊子水庫(kù)工程溢洪洞的水力計(jì)算

吳 琨

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

樓莊子水庫(kù)工程溢洪洞的水力計(jì)算

吳 琨

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

樓莊子水庫(kù)是頭屯河上游山區(qū)控制性骨干工程，其主要任務(wù)是灌溉、防洪和城市生活及工業(yè)供水，是一座綜合利用的水庫(kù)樞紐工程。溢洪洞為樓莊子水庫(kù)工程的主要泄洪建筑物，通過對(duì)其進(jìn)口控制段、無壓洞身段及出口消能段的水力計(jì)算，分析了溢洪洞的結(jié)構(gòu)布置、進(jìn)出口尺寸等設(shè)計(jì)要求及水力特性。計(jì)算結(jié)果表明，本工程溢洪洞泄流能力滿足規(guī)范要求且流態(tài)較好，可為類似工程提供一定參考。

溢洪洞；水力計(jì)算；水庫(kù)工程

1 工程概況

樓莊子水庫(kù)工程位于頭屯河上游中低山區(qū)，昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)以南25 km處，距下游昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)樓莊子村8 km。樓莊子水庫(kù)是頭屯河上游山區(qū)控制性骨干工程，工程的主要任務(wù)是灌溉、防洪和城市生活及工業(yè)供水，是一座綜合利用的水庫(kù)樞紐工程。水庫(kù)總庫(kù)容為7374萬m3，正常蓄水位為1394.5 m，死水位1353.3 m。水庫(kù)工程由黏土心墻壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、引水洞等組成。大壩為黏土心墻壩，最大壩高82.6 m。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)及《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)的規(guī)定[1-2]，確定樓莊子水庫(kù)工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。各主要建筑物級(jí)別：大壩為2級(jí)建筑物；溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞和引水洞為3級(jí)建筑物；次要建筑物及臨時(shí)建筑物為4級(jí)建筑物。

2 結(jié)構(gòu)布置

引渠段長(zhǎng)度為10.2 m，底板高程1388.0 m，梯形斷面，底寬8.0 m。控制段長(zhǎng)20.7 m，采用WES實(shí)用堰，堰頂高程1391.0 m，堰高3.0 m，凈寬8.0 m。隧洞段長(zhǎng)444.6 m，由斜坡段、反弧段、漸變段、洞身段組成。其中，斜坡段長(zhǎng)5.8 m，斷面型式尺寸由8.0 m×7.0 m(寬×高)矩形漸變?yōu)閿嗝嫘褪匠叽?.0 m×7.0 m(寬×高)城門洞形；反弧段長(zhǎng)12.8 m，斷面型式為城門洞形，斷面尺寸為8.0 m×7.0 m(寬×高)；漸變段長(zhǎng)20.0 m，斷面型式為城門洞形，斷面尺寸由8.0 m×7.0 m(寬×高)漸變?yōu)?.0 m×7.0 m(寬×高)；洞身段長(zhǎng)406.0 m，斷面型式為城門洞形，斷面尺寸為6.0 m×7.0 m。泄槽段長(zhǎng)79.6 m，由拋物線段和陡槽段組成。其中，拋物線段長(zhǎng)17.0 m；陡槽段長(zhǎng)62.6 m，縱坡i=0.5，斷面型式為矩形，斷面尺寸為6.0 m×5.0 m。挑流消能段的挑流鼻坎長(zhǎng)18.5 m，寬6.0 m，為整體式結(jié)構(gòu)。

3 水力計(jì)算

溢洪洞的水力計(jì)算包括：進(jìn)口控制段、無壓洞身段、泄槽段以及出口消能段。

3.1 進(jìn)口控制段

所以堰曲線方程為：

Y=0.114 994 592X1.85

(1)

堰前部采用三段圓弧連接，其參數(shù)為：R1=0.5Hd；R2=0.2Hd；R3=0.04Hd；b1=0.282Hd；b2=0.276Hd；b3=0.175Hd。

堰泄流能力計(jì)算公式[4]：

(2)

式中：m為流量系數(shù)，無量綱,根據(jù)設(shè)計(jì)水頭Hd，上游堰高P1及堰上水頭H0等查表利用內(nèi)插法確定；c為上游堰影響系數(shù)(當(dāng)上游堰面為鉛直時(shí)，取1.0)，無量綱；ε為側(cè)收縮系數(shù)，無量綱；ζ0=0.8，ζK=1.0；B為堰寬，B=8.0 m；H0為堰前計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，取H0=H，H為堰頂靜水頭，設(shè)計(jì)洪水工況取6.4 m，校核洪水工況取6.6 m；σs為淹沒系數(shù)，σs=1.0。

泄流能力計(jì)算如表1所示。

表1 表孔溢洪洞泄流能力計(jì)算表

根據(jù)水庫(kù)調(diào)洪演算成果：溢洪洞防洪高水位最大泄量為282.7 m3/s；溢洪洞設(shè)計(jì)泄量為289.6 m3/s；溢洪洞校核泄量為305.0 m3/s。計(jì)算結(jié)果表明所確定的堰型及孔口尺寸全開可滿足泄流要求。

根據(jù)調(diào)洪調(diào)度分析，當(dāng)庫(kù)水位低于防洪高水位1397.2 m時(shí)，溢洪洞設(shè)計(jì)泄量為120.0 m3/s，由溢洪洞進(jìn)口堰流計(jì)算可知，在防洪高水位工況下，溢洪洞進(jìn)口下泄能力為282.7 m3/s。因此，在防洪高水位工況需控制閘門開度，設(shè)計(jì)洪水位和校

核洪水位工況下敞泄，以滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算公式采用：

(3)

式中：σs為淹沒系數(shù)，σs=1.0；b為單孔凈寬，m；n為閘孔孔數(shù)；H0為包括行近流速水頭的閘前水頭，m；μ為閘孔自由出流的流量系數(shù)，無量綱；e為閘門開啟高度，m。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 表孔溢洪洞控制段不同水位閘門開度控制表

3.2 無壓洞身段

洞身段斷面尺寸為6.0 m×7.0 m(寬×高)城門洞形，洞身坡降為i=0.02，隧洞直墻高根據(jù)校核流量水面線確定，且洞內(nèi)凈空余幅不小于15%，因溢洪洞有排漂任務(wù)，洞內(nèi)凈空余幅應(yīng)適當(dāng)加大。洞身水面線根據(jù)恒定非均勻漸變流，采用分段求和法，以堰后反弧段末端收縮水深為控制水深，向下游推算水面線。反弧段末端收縮水深采用公式(4)計(jì)算。反弧段末端收縮水深計(jì)算見表3。

(4)

式中：E0為以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭，m；q為收縮斷面處的單寬流量，m3/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；φ為流速系數(shù)，取0.95 ；hc為收縮水深，m。

洞襯鋼筋混凝土糙率系數(shù)n=0.014，坡降i=0.02，流量305.0 m3/s，起始斷面收縮水深h0=2.0 m。表孔溢洪洞洞身水面線計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 洞身反弧段末端收縮水深計(jì)算表

表4 表孔溢洪洞洞身段水面線計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表孔溢洪洞洞身水面線隧洞段水深最深處為樁號(hào)0+465.26，水深為3.3 m，洞身空間最小余幅40.2%，滿足泄洪和排漂凈空要求。

3.3 泄槽段

泄槽段面6.0 m×5.0 m(寬×高)矩形斷面，按設(shè)計(jì)流量及校核流量?jī)煞N工況進(jìn)行計(jì)算，即設(shè)計(jì)流量289.6 m3/s，校核流量305.0 m3/s，混凝土襯砌的糙率取n=0.014。采用分段求和法逐段推算水力要素，最終控制條件，取校核流量，控制斷面為隧洞末端(樁號(hào)0+465.26)，由洞身段水力計(jì)算可知，控制斷面水深為3.3 m，以混凝土糙率0.014的運(yùn)行工況的參數(shù)確定斷面。

摻氣水深參照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)進(jìn)行計(jì)算[4]，公式如式(5)。

(5)

式中：hb為計(jì)入波動(dòng)及摻氣的水深，m；h為不計(jì)波動(dòng)及摻氣的水深，m；v為不計(jì)波動(dòng)及摻氣的計(jì)算斷面上的平均流速，m/s；ξ為修正系數(shù)，一般取ξ=1.0～1.4 s/m，本階段取1.4 s/m。

表5 槽身水力計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泄槽內(nèi)最大流速V=30.53 m/s，最大水深和最大摻氣水深分別為3.3 m和4.0 m。所以所確定的泄槽斷面尺寸6.0 m×5.0 m(b×h)滿足泄流要求。

3.4 出口消能段

溢洪洞出口采用挑流消能，計(jì)算公式如式(6)：

(6)

式中：L為挑流水舌至下游水面的挑距，m；h1、v1分別為鼻坎出口斷面法向水深和坎頂水面流速，m,m/s；θ為水舌水面射出角；h2為鼻坎坎頂與下游河床的高差，m；g為重力加速度，m/s2。

沖刷坑最大水墊深度：

(7)

式中：q為鼻坎末端斷面單寬流量，m3/s；Z為上下游水位差，m；K為中和沖刷系數(shù)，取1.6。

計(jì)算結(jié)果為挑流鼻坎半徑19.0 m，挑角30°，鼻坎末端高程1333.4 m，最大挑距133.8 m，最大沖坑深23.4 m。對(duì)挑坎穩(wěn)定和下游不會(huì)造成不利影響。

4 結(jié) 論

通過對(duì)溢洪洞的進(jìn)口控制段、無壓洞身段、泄槽段，以及出口消能段的水力計(jì)算，結(jié)果表明：溢洪洞的孔口尺寸全開可滿足泄流要求；洞身空間滿足泄洪和排漂凈空要求；出口挑坎穩(wěn)定，對(duì)下游不會(huì)造成不利影響。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.防洪標(biāo)準(zhǔn)：GB 50201-2014[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL 252-2000[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

[3] 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].第二版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部. 溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 253-2000[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.

Spillway hydraulic calculation of Louzhuangzi reservior project

WU Kun

(XinjiangScientificResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi830000,China)

Louzhuangzi reservoir project is the controlled key project in the upstream mountainou area of Toutun River. It is a comprehensive utilization reservoir project and its tasks are irrigation, flood control, urban and industrial water supply. The Spillway is mainly flood releasing structure of Louzhuangzi reservior project, The structure arrangement, inlet and outlet dimensions and hydraulic characteristics of spillway are analyzed by the hydraulic calculation of inlet control section, non-pressure hole section and outlet dissipation section. The calculation results show that the discharge capacity of the spillway fits standard requirement and the flow pattern is good. This paper can provide a reference for similar projects.

spillway; hydraulic calculation; reservior project

吳 琨(1985-)，女，江蘇如東人，工程師，主要從事水工隧洞設(shè)計(jì)工作。E-mail：86775648@qq.com。

TV651.3；TV13

A

2096-0506(2017)04-0062-04